鋰離子(Li-ion)電池的進(jìn)步使各種便攜式設(shè)備變得可行，并推動(dòng)了電子產(chǎn)品的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池的內(nèi)在缺點(diǎn)，其電池使用液體電解質(zhì)溶液，使其不完全適合電動(dòng)汽車等備受期待的應(yīng)用。這些限制包括有限的耐用性、低容量、安全問(wèn)題以及對(duì)其毒性和碳足跡的環(huán)境問(wèn)題。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們現(xiàn)在正專注于解決所有這些問(wèn)題的下一代解決方案：全固態(tài)電池。固體電解質(zhì)的使用使這種類型的電池更安全，并能夠保持更大的功率密度。
然而，這些電池的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是電解質(zhì)-電極界面處的高電阻，這會(huì)降低全固態(tài)電池的輸出并阻止它們快速充電。這種高界面電阻背后的一個(gè)討論機(jī)制是雙電層 (EDL) 效應(yīng)，它涉及在與電極的界面處從電解質(zhì)中收集帶電離子。這會(huì)產(chǎn)生一層正電荷或負(fù)電荷，進(jìn)而導(dǎo)致相反符號(hào)的電荷以相等的密度在整個(gè)電極上累積，從而形成雙層電荷。檢測(cè)和測(cè)量全固態(tài)電池中的 EDL 的問(wèn)題在于，傳統(tǒng)的電化學(xué)分析方法無(wú)法解決問(wèn)題。
在東京理科大學(xué)，由 Tohru Higuchi 副教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們使用一種全新的方法來(lái)評(píng)估全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中的 EDL 效應(yīng)，從而解決了這個(gè)難題。是與國(guó)立材料科學(xué)研究所國(guó)際材料納米結(jié)構(gòu)中心 (MANA) 首席研究員 Takashi Tsuchiya 和同一組織的 MANA 首席研究員 Kazuya Terabe 合作進(jìn)行的.
新方法圍繞使用氫化金剛石和固體鋰基電解質(zhì)制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 展開(kāi)。FET 是一種三端晶體管，其中源極和漏極之間的電流可以通過(guò)在柵極上施加電壓來(lái)控制。由于 FET 的半導(dǎo)體區(qū)域中產(chǎn)生的電場(chǎng)，該電壓控制電子或空穴(帶正電荷的“電子空位”)的密度。通過(guò)利用這些特性并使用化學(xué)惰性的金剛石通道，科學(xué)家們排除了影響通道導(dǎo)電性的化學(xué)還原氧化效應(yīng)，只留下由于 EDL 效應(yīng)積累的靜電荷作為必要原因。
因此，科學(xué)家們?cè)诮饎偸姌O上進(jìn)行了霍爾效應(yīng)測(cè)量，該測(cè)量?jī)H對(duì)材料表面上的帶電載流子敏感。他們使用了不同類型的鋰基電解質(zhì)，并研究了它們的成分如何影響 EDL。通過(guò)他們的分析，他們揭示了 EDL 效應(yīng)的一個(gè)重要方面：它由界面附近(約 5 納米厚)的電解質(zhì)組成決定。如果電解質(zhì)材料允許發(fā)生電荷補(bǔ)償?shù)倪€原-氧化反應(yīng)，則 EDL 效應(yīng)可以被抑制幾個(gè)數(shù)量級(jí)。“事實(shí)證明，我們的新技術(shù)有助于揭示固體電解質(zhì)界面附近 EDL 行為的各個(gè)方面，并有助于闡明界面特性對(duì)全固態(tài)鋰離子電池和其他離子設(shè)備性能的影響，”樋口博士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
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